現代煤化工壓縮機廠房建筑設計淺析

汪壽建，陳 京，張 寧

（1.中國化學工程股份有限公司，北京 100007；2.中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

專題綜論

現代煤化工壓縮機廠房建筑設計淺析

汪壽建1，陳 京2，張 寧2

（1.中國化學工程股份有限公司，北京 100007；2.中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

煤化工壓縮機廠房按國家現行標準規范設計，是煤化工裝置正常、穩定、長周期運行的基礎，特別是當壓縮機廠房在生產過程中遇到火災、爆炸、有毒及有害氣體等危害因素時，能夠盡量避免安全事故的發生，盡可能降低安全事故危害的程度。重點探討了壓縮機廠房在建筑、結構設計方面對確保煤化工裝置安全、穩定運行的重要性。

煤化工；壓縮機廠房；建筑結構；防火防爆；設計；安全運行

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.001

在大型煤化工工業園區，經?？梢钥吹浆F代煤化工裝置中的壓縮機廠房建筑，它們是煤化工裝置物料獲取高壓源的核心區域。壓縮機廠房一般是復式單層廠房，也有部分是多層廠房。在壓縮機廠房裝置生產過程中若遇到火災、爆炸、有毒及有害氣體等危害因素時，設計優良的壓縮機廠房建筑能夠盡量避免安全事故的發生，降低安全事故危害的程度，這也是設計師追求的目標。筆者曾對大量的煤化工裝置壓縮機廠房進行現場考察，身臨其境，感受頗多，體會深刻。

筆者在寧夏寧東大型煤化工基地就見到十幾個壓縮機廠房，這些壓縮機廠房在其建設過程中均存在一些設計或工程方面的不足。本文重點論述了壓縮機廠房建筑設計元素在建筑、結構設計等方面，保證裝置安全、穩定、長周期運行過程中的重要性；以人為本，以確保煤化工裝置安全、穩定運行。

1　壓縮機廠房荷載取值和內力分析計算

1.1壓縮機廠房荷載取值計算

壓縮機廠房荷載取值是壓縮機廠房建筑設計的重要參數，是設計首先要獲取的基礎數據，主要包括：永久荷載、屋面活荷載、吊車荷載、風荷載、地震作用以及荷載組合等。有些荷載是必需要計算的，主要有以下幾種。

（1）永久荷載。包括屋蓋、柱、吊車梁及軌道連接件、圍護結構等自重、操作平臺質量及長期使用的設備質量（包括物料質量）。

（2）屋面活荷載。屋面活荷載按現行國家標準取值。雪荷載應按現行國家標準有關規定取值，或按當地氣象資料確定，不考慮積雪等不均勻分布因素。操作平臺活荷載由工藝專業提供或按現行國家標準的規定設置。特重零部件的安裝和檢修，其荷載值可根據零部件放置方式確定或按等效均布荷載換算確定。

（3）吊車荷載。豎向荷載：每榀排架按1臺吊車荷載考慮；橫向水平荷載：每榀排架按1臺吊車的橫向水平制動力考慮；縱向水平荷載：對任一柱列按1臺吊車的縱向水平制動力考慮。

橋式（梁式）吊車的輪壓按吊車資料確定，當無資料時，可按下列公式確定：

式中：Pmax為吊車最大輪壓，kN；Pmin為吊車最小輪壓，kN；Q為吊車起重量，kN；G為吊車總質量，kN；g為吊車卷揚小車質量，kN；Lk為吊車跨度，m；Li為吊鉤至吊車軌道中心的最小極限距離，m；n為吊車兩端總輪數。

電動橋式（或梁式）吊車的橫向和縱向水平荷載標準值按現行國家標準規定取值。

（4）風荷載。作用于廠房表面的風荷載按國家現行標準有關規定取值。沿廠房高度的風荷載按矩形分布考慮，風壓高度變化系數μs按現行國家標準有關規定取值。對于柱頂以上風荷載，無天窗時，按廠房檐口或女兒墻頂標高取值；有天窗時，按天窗檐口標高取值。柱頂以下風荷載按柱頂標高取值。柱頂以上風荷載以集中水平荷載形式作用于柱頂，按現行國家標準有關規定取值。當廠房兩側設有擋雨板敞開式或半敞開式建筑時，仍按封閉式建筑考慮。當廠房兩側完全敞開，按敞開式建筑考慮。

（5）地震作用。地震作用：抗震設防烈度按現行國家標準《中國地震動參數區劃圖》GB18306的有關規定執行，城鎮中心區域應按現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB50011的附錄 A取值?？拐鹪O防分類見現行國家標準《化學工業建（構）筑物抗震設防分類標準》GB50914的有關規定。計算地震作用時，其建筑的重力荷載代表值按國家標準《建筑抗震設計規范》GB50011第5.1.3條執行。

1.2壓縮機廠房內力分析計算

結構設計應根據使用過程中在結構上可能同時出現的荷載，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，依照組合規則進行荷載效應的組合，并取最不利組合進行設計。

進行內力組合時應注意以下主要問題：①永久荷載在任何一種內力組合時都應存在；②吊車荷載Dmax應當分別作用在左柱和右柱；③在考慮吊車橫向水平荷載時，必須考慮豎向吊車荷載；④應當考慮左右兩個方向的橫向水平作用；⑤風荷載的作用方向考慮左右兩種情況；⑥當廠房一側或兩側為鋼筋混凝土操作平臺時，應考慮平臺柱與廠房柱的共同工作，將平臺作為排架的組成部分，應按復式排架進行內力分析。

鋼筋混凝土柱截面的強度按國家現行標準的有關規定進行計算，宜采用對稱配筋，并按偏心受壓構件進行計算。廠房柱牛腿按現行國家標準的有關規定進行計算。當廠房內設有中、低轉速的往復式壓縮機時，應考慮廠房結構及部分構件（如平臺柱、懸臂梁、屋面構件等）以及壓縮機基礎的自振頻率與壓縮機的擾力頻率避開±25%，以防止發生共振。

2　壓縮機廠房圍護型式及樓層結構

2.1壓縮機廠房圍護型式

壓縮機廠房的圍護結構型式有敞開式、半敞開式和封閉式3種。廠房的圍護結構型式選擇要對建設項目所在地的環境條件、安裝、防噪音、安全性、生產操作運行和檢修等要求進行多角度的綜合分析，從而確定廠房的建筑圍護型式，使其在生產、運行、操作、安全和環保等方面達到最佳的效果。

2.2壓縮機廠房樓層結構

單層壓縮機廠房設計結構簡單，可以采用大跨度、大進深，地面就可安裝重型設備。單層廠房具有適應性強，可建成大跨度、大面積，也可建成小跨度、小面積的優勢，當占地面積大，相應增加了道路、管線和運輸線路的長度。單層廠房柱距多用6m柱距，或采用9 m、12 m、18 m柱距，跨度也采用以3 m、6 m為基本模數，便于構件的標準化、定型化。單層廠房結構通常采用鋼筋混凝土排架結構體系，特殊高大或有振動的廠房可用鋼結構體系。

多層壓縮機廠房是在單層廠房基礎上發展起來的。這類廠房有利于安排豎向生產流程，管線集中，管理方便，占地面積小。多層壓縮機廠房平面有多種形式，最常見的是內廊式不等跨布置，中間跨作通道。以自然采光為主的多層廠房，寬度一般為15～24m，過寬則中間地帶采光不足。多層廠房層高一般為4～5m，為取得足夠的自然光可達6m，多層廠房宜采用鋼筋混凝土框架結構。

3　壓縮機廠房屋面支撐結構和柱間支撐結構

3.1壓縮機廠房屋面承重結構

（1）屋蓋結構分為無檁體系和有檁體系。無檁體系由大型屋面板、屋架或屋面梁、屋蓋支撐組成。有檁體系由小型屋面板、檁條、屋架或屋面梁、屋蓋支撐組成。有檁體系因其剛度小、整體性差，僅適用于中小型廠房。為滿足廠房內通風和采光需要，屋蓋結構中有時還需設置天窗架（其上也有屋面板）及天窗架支撐。當生產工藝或使用上要求抽柱時，則需在抽柱的屋架下設置托架。對有泄壓要求或振動較大的廠房，除應加強上、下弦水平支撐外，還應適當增強屋架之間的垂直支撐，從而提高廠房的空間剛度和整體穩定性。廠房屋面承重結構形式較多，有輕型屋面梯形鋼屋架、屋面梯形鋼屋架、實腹鋼梁等。

（2）壓縮機廠房屋蓋。壓縮機廠房屋面可采用輕質屋面板或壓型鋼板等。屋面采用輕質屋面板時，每塊屋面板與屋架的連接應滿足三點焊接，以形成剛性屋蓋體系。屋面采用有檁屋面時，檁條應通過連接件與屋架（屋面梁）牢固連接，并應有足夠的支撐長度。

3.2壓縮機廠房柱間支撐結構

（1）壓縮機廠房排架結構常用的類型：鋼筋混凝土排架結構、鋼排架結構和門式剛架三種。廠房高度或吊車軌頂標高按生產工藝要求確定。對單層廠房結構通常采用鋼筋混凝土結構排架體系；對特殊高大或有振動的廠房可采用鋼結構排架體系；一般為格構式柱、鋼屋架或者下部為格構柱，上部為門式剛架結構。

（2）排架柱間支撐設置。壓縮機廠房采用排架結構時，應保證排架縱橫兩個方向都具有可靠的穩定性和足夠的空間剛度。構件的構造連接，必須具有可靠的錨固措施，以確保排架體系的整體性。排架廠房柱間支撐應符合下列要求：當壓縮機廠房單元中部設置上、下柱柱間支撐，有吊車或抗震設防烈度為8度和9度時，宜在壓縮廠房單元兩端增設上柱支撐；當壓縮廠房單元較長或8度Ⅲ、Ⅳ類場地和9度時，可在廠房單元中部1/3范圍內設置兩道上、下柱間支撐，兩個柱間支撐之間的距離不宜＞66m；當柱子被足夠強度和良好穩定性的墻體嵌固（單層鋼結構除外）、具有可靠的整體作用，且吊車起重質量＜5 t時，可不設柱間支撐，現澆框排架廠房沿縱向宜設柱間支撐。

（3）鋼筋混凝土排架柱截面選擇。鋼筋混凝土排架柱截面形式可根據其截面高度h按下列規定采用：當截面長邊尺寸h≤700 mm時應采用矩形柱；當截面長邊尺寸為700 mm＜h≤1 400 mm時，采用矩形柱或工字形柱；當截面尺寸為1 400mm＜h≤1 600mm時，采用工字形柱或雙肢柱，其中工字形柱已很少用到，主要是經濟性變差；當截面長邊尺寸h＞1 600 mm時，可采用雙肢柱；當抗震設防烈度為8度和9度時，不宜采用薄壁工字形柱、腹板開孔的工字形柱、預制腹板的工字形柱和管柱。

（4）廠房跨距及柱距選擇。壓縮機廠房跨度選擇，通?？紤]工藝參數、設備布置和操作條件等因素來確定。柱網布置既是確定柱的位置，也是確定屋面板、屋架或屋面梁和吊車梁等構件的跨度，同時涉及到其他結構構件的布置。一般采用3m的模數，常用的跨度有18m、21m、24m、27 m、30 m。在壓縮廠房柱距選擇上，當工藝、布置無特殊要求時，根據廠房平立面尺寸、屋面荷載和風壓等情況應選擇最佳經濟柱距，一般為6～7.5m左右。單層廠房柱距常用6m，或采用7.5m柱距等。山墻柱選擇，應根據廠房跨度和屋架結構形式，使山墻柱與端部屋架（屋面梁）連接可靠。廠房柱不宜兼作管廊或管架的支柱，穿越廠房的蒸汽管道和壓力管道，應架設在獨立的管道支架上，不得直接支撐在梁、柱或墻體上。蒸汽管道和壓力管道與廠房墻體結構接觸處，除考慮管道保溫厚度外，還應留有≥50mm的空隙。地震區廠房還應滿足結構抗震設計和構造的各項要求。

（5）壓縮機廠房吊車柱和梁。壓縮機廠房吊車工作級別可按A1～A3考慮。吊車梁可采用預應力鋼筋混凝土吊車梁、鋼吊車梁或鋼與混凝土組合的吊車梁。當起重質量Q≤15 t時，也可采用普通鋼筋混凝土吊車梁、型鋼混凝土吊車梁或鋼吊車梁。排架柱一般采用預制或現澆鋼筋混凝土柱。柱間支撐采用交叉式支撐，斜桿與水平面夾角取35°～55°。當下柱截面高度h≥700 mm時，下柱支撐應采用雙肢形式，且兩肢之間應連接，上柱支撐一般采用單肢支撐。由于通行或設備管道布置不宜采用交叉式支撐，一般采用門式、人字式支撐，以免與管道碰撞。

4　壓縮機組基礎設置

4.1壓縮機組布置

壓縮機組布置應盡量考慮其主要擾力方向（如活塞運動方向）平行于建筑物剛度較大的方向，廠房伸縮縫見表1。

表1　伸縮縫最大間距

4.2壓縮機基礎設置

根據壓縮機廠家提供基礎及荷載分布條件進行壓縮機基礎設計，一般壓縮機基礎采用現澆鋼筋混凝土結構。由于壓縮機種類不同，壓縮機基礎的型式通常分為3種類型：構架式基礎、大塊式基礎、墻式基礎；有的還要求做成多臺壓縮機聯合基礎或多層構架式壓縮機基礎。壓縮機基礎設計應與廠房基礎設計脫開，間距宜≥100mm。當場地為高壓縮性軟弱地基且設計需要時，將高轉速離心式壓縮機基礎與廠房基礎共同設置在剛性底盤的整體筏式基礎底板上。壓縮機基礎與壓縮機操作平臺應脫開，當操作平臺鋼梁或鋼鋪板必須擱置在壓縮機基礎上時，鋼梁應設計成沿梁縱向可滑動的支座，而鋼鋪板應自由放置在壓縮機基礎上。壓縮機基礎混凝土宜一次連續澆筑完成，或只在壓縮機基礎底板的頂面留一道施工縫。壓縮機基礎選型應滿足下列要求：對于高速旋轉式壓縮機，可采用構架式基礎；對于螺桿式壓縮機，可根據實際情況采用構架式、墻式或大塊式基礎；對于活塞式壓縮機，可采用大塊式或墻式基礎。

4.3壓縮機操作平臺設置

壓縮機廠房應根據生產要求設置操作平臺。操作平臺可布置成下列形式：廠房兩側為鋼筋混凝土平臺，中部有可拆卸或因通風要求而局部鋪設鋼格板或鋼結構平臺。壓縮機基礎與操作平臺應該分離，互相獨立，壓縮機基礎頂面宜與操作樓面平齊。操作平臺宜沿壓縮機周圍、安裝及檢修部位布置。

壓縮機廠房的設計是煤化工裝置設計中的關鍵環節，在盡可能滿足壓縮機工藝和全廠總平面布置需求的前提下，嚴格按照國家現行有關標準進行設計，這也是工程師設計的出發點和目的。

5　結語

綜上所述，壓縮機廠房按國家現行標準規范設計是煤化工裝置正常、穩定、長周期運行的基礎。壓縮機廠房的設計除滿足工藝流程要求、壓縮廠房設備、管道布置以及設備安裝和維修要求外，還應滿足建筑、結構穩定性等方面的設計要求，且符合國家現行標準規范中有關防火防爆、安全疏散等規定的要求。只有這樣才能避免安全事故的發生，降低安全事故危害的程度，這也是工程師應承擔的職責，從而確保煤化工裝置安全、環保、穩定運行。

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修改稿日期：2016-04-16

Brief Analysis on Architectural Design of Com pressor Shelter of Coal Chem ical Plant

WANG Shou-jian1，CHEN Jing2，ZHANG Ning2

（1.China National Chemical Engineering Corporation，Beijing 100007 China；2.Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Compressor shelter design based on currentnational codesand standards is the base to guarantee normal，stable and long-term run of coal chemical plant，especially when compressor shelter encounters hazardous factors as fire，explosion，poisonous and harmful gases during operation，it shall be capable to avoid accidentsand tomitigate the harm extentof the accidentasmuch as possible.This paper is focused on the importance of architecture and structure design of compressor shelter on assuring safe and stable operation of coal chemical plant.

coal chemical；compressor shelter；architectural structure；fire prevention and explosion prevention；design；safe operation

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.001

TQ536

A

1004-8901（2016）04-0001-04

汪壽建（1956年-），男，江蘇無錫人，教授級高級工程師，中國化學工程股份有限公司總工程師，長期從事化工、煤化工工程設計、開發及技術管理工作。